摘  要： 提出了一個基于ARM架構處理器和μC/OS-II操作系統的遠程數據采集監控系統的系統組成與結構，介紹了其μC/OS-II操作系統的移值方法，并對數據采集/控制器的軟件系統進行了分析與設計。
關鍵詞： 嵌入式系統；遠程監控；系統結構

　嵌入式系統是計算機系統應用的重要發展方向之一。隨著計算機技術的飛速發展，嵌入式系統的設計開發與應用已步入一個全面發展的階段。由于嵌入式系統具有體積小、性能強、功耗低、可靠性高以及面向行業應用的特點，目前已經廣泛地應用于軍事國防、消費電子、網絡通信、工業控制等領域。特別在數據采集與自動化控制領域，嵌入式系統更是顯現了其得天獨厚的優勢與魅力。
　進行嵌入式系統應用開發，開發平臺的選擇非常重要。目前，基于ARM架構的硬件平臺較為流行，產品資源非常豐富。而μC/OS-II是近年來發展迅速的開放源碼實時操作系統，具有良好的可移植性，因此，基于ARM架構的處理器和μC/OS-II操作系統是進行嵌入式應用系統開發的理想平臺。
1 系統組成結構
1.1 系統功能與組成
　利用上述平臺本文設計實現了一個遠程數據采集控制系統，測量遠程設備的環境溫度變化情況和電池電量，并能啟動溫度控制器工作，在電池電量不足時，向數據采集控制中心發送報警信息。系統實現的主要功能有：
　（1）定時檢測、采集遠程設備環境溫度及供電電池電壓，并將數據發送到監控中心；
　（2）在環境溫度超出預定范圍時，啟動溫控器工作，以保持設備環境溫度；
　（3）在電池電量不足時，向監控中心發送報警信息；
　（4）可本地設置、修改系統工作參數，也可由監控中心通過短信遠程控制、設定系統工作參數；
　（5）監控中心將數據信息保存于數據庫中，并能對采集的數據進行統計分析，按預設參數決定是否需對遠程設備進行人工維護；
　（6）數據采集/控制器工作異常時，能向監控中心發送報警信息，請求進行人工維護；
　（7）能將采集的溫度數據信息本地存儲，系統通信失敗時，可通過USB設備進行轉儲。
系統組成關系如圖1所示。其中數據庫采用SQL Server 2000，用于存儲采集到的數據信息和遠程設備工作、維護情況信息；數據采集控制中心采用工控機服務器、Windows Server2003，運行數據采集控制軟件系統，通過串口與GSM模塊相連，采用短信通信方式完成對遠程設備的信息采集與管理控制；GSM模塊采用Siemens的TC35，通過短信實現遠程信息的交互，可使系統建設與維護投資小，工作可靠；數據采集/控制器用以實現數據采集以及相應設備的控制。

　監控器核心板集成了2 MB SRAM和4 MB Flash存儲器和4×4鍵盤，還集成了所需的外設接口模塊，包括液晶顯示接口、USB接口模塊、A/D轉換模塊、2個RS232接口以及 DC/DC轉換等模塊。外接設備有GSM模塊、128×64液晶屏，U盤、電池電源、溫度傳感控制器等，其中液晶屏和U盤為選配設備，為降低系統成本與功耗，只在需要時配接相應設備。
2 數據采集/控制器軟件系統設計
　在目前嵌入式實時操作系統中，μC/OS-II源碼公開、結構簡單、移植性好，采用C語言和匯編語言實現，其中絕大部分使用C語言，結構非常簡單；能很容易被移植到各種微處理器上，移植過程中，用戶只需做少量工作；支持實時多任務，可裁剪、可固化，是一款優秀的嵌入式操作系統，以其為平臺，用戶可以快速地開發出自己的應用系統。
2.1 μC/OS-II的移植
　以μC/OS-II為軟件平臺開發應用系統，首先，要進行ARM硬件平臺下的操作系統移植，對μC/OS-II與處理器有關的代碼進行修改，主要工作有：
　（1）在系統文件OS_CPU.H中要定義10個不依賴于編譯的數據類型，以免與處理器類型產生關聯，從而影響移植；定義OS_STK_GROWTH常量為1，指明堆棧的生長方向為自上而下；定義兩個宏OS_ENTER_CRITICAL（）、OS_EXIT_CRITICAL（），以禁止和允許中斷，系統代碼訪問臨界區前要先禁止中斷，訪問完畢后重新允許中斷；定義宏OS_TASK_SW（），在任務級代碼中調用，使系統從低優先級任務切換到高優先級任務。
　（2）在OS_CPU_C.C文件中編寫6個C函數 OSTaskStkInit（）、OSTaskCreateHook（）、OSTaskDelHook（）、OSTaskSwHook（）、OSTaskStatHook（）、OSTimeTickHook（）。OSTaskStkInit（）用來初始化任務的堆棧結構，OSTaskCreateHook（）允許用戶及使用特定移植實例的用戶擴展μC/OS-II的功能，OSTaskDelHook（）用于任務刪除時的系統調用，OSTaskSwHook（）是發生任務切換時的調用函數。這些函數中只有OSTaskStkInit（）是必需和函數，其余函數必須聲明，但不一定需要包含代碼。
　（3）在OS_CPU_A.ASM文件中編寫4個匯編函數：OSStartHighRdy（）使就緒狀態的最高優先級任務開始運行，OSCtxSw（）用于任務級的任務切換，OSIntCtxSw（）用于中斷級的任務切換，OSTickISR為內核處理時鐘節拍的中斷處理函數。應注意運行OSStart（）后，在系統啟動的第一個任務中初始化節拍中斷。
　（4）主函數程序結構：在主程序中應包含頭文件config.h，其中對最大任務數、信號量和郵箱等內核參數進行定制和配置，分配各任務的堆棧空間，主函數main（）要先后調用OSInit（），變量初始化，創建各任務，調用OSStart（），進入實時多任務運行狀態。主程序結構如下：
#include “config.h”
　OS_STK   TaskStk[TASK_STK_SIZE]；
　OS_STK   Task_Stk1[TASK_STK_SIZE]；
　  … … … /*為各任務分配堆棧空間*/
　main（void）
　{
　OSInit（）；
　OSTaskCreate（Task1，（void*）0，&Task_Stk1[TASK_STK_SIZE-1]，0）；
　… … … /*創建各任務*/
　OSStart（）；
　return 0；
　}
2.2 系統任務劃分與功能設計

　數據采集/控制器的軟件系統共劃分為6個主要任務，按優先級順序分別為控制任務、鍵盤任務、溫度監測任務、串口通信任務、電量監測任務、顯示任務。
　（1）控制任務：啟動系統各任務后，根據收到的鍵盤或短信命令，修改系統工作參數，控制系統工作狀態，溫度超過設定值時，控制溫度控制器工作。
　（2）鍵盤任務：通過鍵盤可以輸入控制命令、設置系統工作參數。鍵盤任務循環讀取鍵盤，將按鍵信息發送到控制任務，任務處理過程中應考慮到按鍵的抖動等特殊情況的處理。
　（3）溫度監測任務：監測環境溫度，按設置參數定時讀取經過A/D轉換的溫度值，進行本地存儲，并向串口通信任務發送環境溫度信息，由串口通信任務通過GSM模塊向數據采集控制中心發送溫度數據短信，供采集控制中心儲存、統計和分析。該任務還要進行喂狗操作，將看門狗復位，然后進入循環等待下一次定時數據采集。
　（4）串口通信任務：將采集的溫度、電量等信息緩存至規定（可設置）的條數時，通過串口發送給GSM模塊；對收到的報警信息則不進行緩存，直接通過串口發送給GSM模塊。每次發送數據完成后，讀取GSM模塊的未接收短信，若為命令短信，則發送給控制任務進行相應控制。
　（5）電量監測任務：檢測電池電量，當電池電量低于設定值時，向串口通信任務發送低電信息，由串口通信任務通過GSM模塊向數據采集控制中心發送低電報警短信，請求人工維護。
　（6）顯示任務：顯示任務用于顯示系統的工作狀態，包括溫度、電量、報警信息以及鍵盤輸入信息的回顯，考慮系統的低功耗要求，在遠程無人值守環境下，可關閉系統的顯示，或取消液晶顯示配置，降低硬件成本。
　本文以ARM系統的控制器系統和μC/OS-II為軟、硬件平臺，實現了一個遠程數據采集/控制系統，達到了低成本、低功耗、建設實施簡便、快捷的要求，應用效果令人滿意。本系統的解決方案對于相似應用環境的遠程數據采集與控制具有一定的借鑒意義。
參考文獻
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[2] 周立功.ARM微控制器基礎與實戰[M].北京：北京航空航天大學出版社，2003.